JP2013112899A - 織物基材及び繊維強化複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲部及び湾曲部の皺を無くしやすく賦形性が良い織物基材、及び該織物基材を繊維基材とした繊維強化複合材料を提供すること。
【解決手段】織物基材２０は、繊維束からなり互いに平行に配列された複数の経糸１１と、繊維束からなり互いに平行にかつ経糸１１と交差する方向に配列された複数の緯糸１２とを備え、成形型１０に沿って賦形される。織物基材２０は、成形型１０が備える湾曲面１０ｆに沿って賦形される賦形部を含む第１部位２１と、賦形部に比べて賦形性の低い第２部位２２と、を備える。そして、織物基材２０は、緯糸１２の織密度が、第２部位２２に比べて第１部位２１が低くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維束からなり互いに平行に配列された複数の第１の糸と、繊維束からなり互いに平行にかつ第１の糸と交差する方向に配列された複数の第２の糸と、を製織してなり、成形型に沿って賦形される織物基材、及び該織物基材を繊維基材とした繊維強化複合材料に関する。

軽量、高強度の材料として繊維強化複合材料（以下、単に複合材料と称す。）が使用されている。複合材料は、強化繊維製の織物基材が樹脂に複合化されることにより、樹脂自体に比べて力学的特性（機械的特性）が向上するため、構造部品として好ましい。

このような複合材料の織物基材は、経糸と緯糸を織ってなり、複合材料用の成形型に沿わせて賦形しながら複数積層して製造される。しかし、織物基材の製造の際、織物基材を賦形させたとき、織物基材において、成形型の屈曲部や湾曲部に配置された部位に皺ができてしまう。皺ができたまま織物基材に樹脂を含浸させると、得られた複合材料において、皺のできた部位の強度が低下してしまう。

そこで、織物基材の皺を無くして、織物基材を成形するようにした技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１においては、織物基材全体を、その経糸と緯糸を粗い密度で製織して形成している。このため、経糸間又は緯糸間の間隔を詰める余裕があるため、織物基材の糸が目ずれしやすく、皺ができても、その皺を無くしながら織物基材を賦形させることが可能になる。

特開平８−３１１７１３号公報

しかし、賦形の際の皺を無くすための方策及び賦形性については、未だ改善の余地が残されている。
本発明は、屈曲部及び湾曲部の皺を無くしやすく賦形性が良い織物基材、及び該織物基材を繊維基材とした繊維強化複合材料を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、繊維束からなり互いに平行に配列された複数の第１の糸と、繊維束からなり互いに平行にかつ前記第１の糸と交差する方向に配列された複数の第２の糸とを備え、成形型に沿って賦形される織物基材に関する。そして、織物基材は、前記成形型が備える屈曲部及び湾曲部の少なくとも一方に対向して配置され、かつ賦形される賦形部を含む第１部位と、前記賦形部に比べて賦形性の低い第２部位と、を備え、前記第１の糸、及び前記第２の糸の少なくとも一方の織密度が、前記第２部位に比べて前記第１部位が低い。

また、請求項３に記載の繊維強化複合材料は、請求項１又は請求項２に記載の織物基材に樹脂を含浸させてなるものである。
これによれば、織物基材に織密度の異なる第１部位と第２部位とを形成し、織密度の低い第１部位が、対向配置された湾曲部及び屈曲部の少なくとも一方に沿うように賦形される。第１部位では、第１の糸及び第２の糸の少なくとも一方において、糸同士の間隔が第２部位より広くなっており、糸をずらせる範囲が広がる。このため、屈曲部及び湾曲部の少なくとも一方に沿って織物基材を賦形させることで第１部位に皺が発生しても、第１の糸及び第２の糸の少なくとも一方を簡単にずらして皺を容易に無くすことができるとともに、織物基材の賦形性を良好なものにすることができる。また、織物基材において、織密度を第２部位に比べて第１部位を低くして、第２部位においては、織密度を低くしないようにした。すなわち、織物基材の全体のうち、第１部位だけを織密度を低くした。このため、第２部位においては、第１の糸及び第２の糸の交差部で目ずれしにくく、かつ蛇行しにくく、第２部位を繊維基材とする部位で強度低下することがない。したがって、本発明の織物基材を繊維基材として含む繊維強化複合材料においては、織物基材の皺に起因した強度低下部分が生じることが防止されるとともに、皺発生防止のために、織物基材全体の織密度を低下させることが無くなり繊維強化複合材料全体の強度が低下してしまうことがない。

また、前記第１の糸及び前記第２の糸のうち前記織密度を低くした糸は、前記屈曲部に対しては該屈曲部の屈曲方向と交差する方向に延びるように配列され、前記湾曲部に対しては該湾曲部の湾曲方向と交差する方向に延びるように配列されていてもよい。

これによれば、屈曲部の屈曲方向、及び湾曲部の湾曲方向に沿って、織密度を低くした糸同士の間隔が広くなる。よって、屈曲部の屈曲方向、及び湾曲部の湾曲方向に沿って糸をずらせる範囲が広がり、屈曲部の屈曲方向、及び湾曲部の湾曲方向に沿って発生した皺を容易に無くすことができる。

本発明によれば、屈曲部及び湾曲部の皺を無くしやすく賦形性が良い織物基材、及び該織物基材を繊維基材とした繊維強化複合材料を提供することができる。

（ａ）は実施形態の成形型、織物基材、及び繊維強化複合材料を示す斜視図、（ｂ）は織物基材を示す部分拡大図。 織物基材の製織方法を説明する模式図。 賦形時の織物基材を拡大して示す図。 別例の成形型に沿って織物基材を賦形した状態を示す図。 （ａ）は経糸及び緯糸の織密度を低くした織物基材を示す図、（ｂ）は経糸の織密度を低くした織物基材を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）の破線に示すように、成形型１０は、略直方体状に形成されている。詳細に説明すると、成形型１０は、長さ方向の一端面（前端面）に矩形状の前側平坦面１０ａが形成されるとともに、長さ方向の他端面（後端面）に矩形状の後側平坦面１０ｂが形成されている。また、成形型１０において、長さ方向に直交する方向を幅方向とすると、成形型１０の幅方向の両端面には細長状の側方平坦面１０ｃが形成されている。さらに、成形型１０の下端面には、矩形状の下側平坦面１０ｄが形成されるとともに、成形型１０の上端面には、前側平坦面１０ａよりも短い矩形状の上側平端面１０ｅが形成されている。

また、成形型１０において、前側平坦面１０ａと上側平端面１０ｅとを繋ぐ面に、弧状に湾曲する湾曲面１０ｆが形成されている。前側平坦面１０ａ及び上側平端面１０ｅのいずれか一方から他方に向けて湾曲していく方向を、湾曲面１０ｆの湾曲方向とする。

次に、成形型１０の表面に沿って賦形される織物基材２０について説明する。
図１（ｂ）に示すように、織物基材２０は、強化繊維としての複数の経糸１１（第１の糸）と、強化繊維としての複数の緯糸１２（第２の糸）とを平織りで製織してなる。なお、「強化繊維」とは、織物基材２０を、繊維強化複合材料の繊維基材として使用した際に、繊維強化複合材料のマトリックスを強化する役割を担う繊維束を意味する。そして、本実施形態では、強化繊維として炭素繊維が使用されている。また、複数の経糸１１は、繊維束からなり互いに平行に真っ直ぐに配列され、複数の緯糸１２も繊維束からなり互いに平行にかつ経糸１１と交差（直交）する方向に真っ直ぐに配列されている。

そして、織物基材２０は、成形型１０の表面（前側平坦面１０ａ、湾曲面１０ｆ、及び上側平端面１０ｅ）全体に沿って賦形される。織物基材２０は、単位面積当たりの織密度が異なる部位が長さ方向に連続して形成されている。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、織物基材２０は、長さ方向の一端側の第２部位２２と、この第２部位２２より織密度の低い第１部位２１と、長さ方向の他端側の第２部位２２とが、長さ方向に連続して形成されている。なお、図１（ａ）において、ハッチング間隔が狭い状態で示した部位が第２部位２２を示し、ハッチング間隔が広い状態で示した部位が第１部位２１を示す。

織密度の調節は、織物基材２０の長さ方向に沿って緯糸１２間の間隔を調節することで行われ、第１部位２１では、第２部位２２に比べて緯糸１２の間隔を広くすることで、織密度が第２部位２２より低くなっている。すなわち、第１部位２１では、単位面積当たりの緯糸１２の本数が第２部位２２に比べて少なくなっている。そして、第１部位２１では、緯糸１２間の間隔が広がった分だけ、緯糸１２をずらすことのできる範囲が、第２部位２２に比べて広くなっている。

織物基材２０の織密度の調節は、その製織の際に行われる。図２に示すように、織物基材２０の製織は、経糸ビーム３０から引き出された経糸１１の端部が巻き取りロール３１に固定された状態から開始され、緯糸１２が、一定間隔おきに経糸１１に緯入れされて行われる。そして、第１部位２１を製織する際に、巻き取りロール３１による巻き取り速度を、第２部位２２を製織する場合より速くする。すると、次の緯糸１２が緯入れされる迄に経糸１１の巻き取り量が多くなり、緯糸１２間の間隔が広くなる結果、第１部位２１での緯糸１２の織密度が低くなる。

図１に示すように、織物基材２０は、第２部位２２が、成形型１０の前側平坦面１０ａに配置されるとともに、第１部位２１が、前側平坦面１０ａの一部、湾曲面１０ｆ全体、及び上側平端面１０ｅの一部に跨って配置される。第１部位２１において、織密度を低くする緯糸１２は、湾曲面１０ｆの湾曲方向に沿って直交する方向（湾曲面１０ｆの幅方向）に沿って延びるように配列されている。

さらに、織物基材２０は、残りの第２部位２２が、第１部位２１が配置された部位を除いた上側平端面１０ｅ全体に配置される。すなわち、織物基材２０は、第１部位２１が湾曲面１０ｆに沿うように賦形させながら（引き延ばしたり、押し縮めたりしながら）成形型１０の表面に対向配置される。よって、織物基材２０において、第１部位２１は、その全体が成形型１０における湾曲部である湾曲面１０ｆに沿って賦形される賦形部となっている。なお、本実施形態では、第１部位２１の全体が賦形部となっているが、例えば、第１部位２１の一部だけが湾曲面１０ｆに沿って賦形され、第１部位２１の一部だけが賦形部となっていてもよい。

一方、第２部位２２は、前側平坦面１０ａ及び上側平端面１０ｅに沿って配置されるが、この前側平坦面１０ａ、及び上側平端面１０ｅは、湾曲面１０ｆと異なり形状変化の無い部位であるため、第２部位２２は、第１部位２１に比べて賦形性が低くなっている。

次に、織物基材２０の作用について説明する。
織物基材２０を成形型１０に沿って賦形した際、湾曲面１０ｆでは、その形状変化に伴い第１部位２１に皺が発生する。このとき、図３に示すように、第１部位２１では、湾曲面１０ｆの湾曲方向に沿った緯糸１２の間隔が、第２部位２２より広くなっており、織密度が第２部位２２より低くなっている。このため、皺が発生しても、緯糸１２間の間隔を利用して目ずれさせて皺を無くしながら第１部位２１を賦形する。

また、前側平坦面１０ａ、及び上側平端面１０ｅでは、形状変化が無いため、第２部位２２をそのまま沿わせて配置する。そして、織物基材２０を成形型１０に沿わせて配置した後、例えば、ＲＴＭ法で硬化前の液状の熱硬化性樹脂が織物基材２０に含浸硬化されて繊維強化複合材料４０が形成される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）織物基材２０において、織密度を第２部位２２に比べて第１部位２１を低くして、織物基材２０に織密度の異なる第１部位２１と第２部位２２とを形成した。そして、織密度の低い第１部位２１が、成形型１０の湾曲面１０ｆに沿うように織物基材２０を賦形した。そして、第１部位２１に皺が発生しても、緯糸１２を簡単にずらすことができ、織物基材２０に発生した皺を容易に無くすことができるとともに、織物基材２０の賦形性を良好なものにすることができる。

その結果として、得られた繊維強化複合材料４０において、皺によって織物基材２０の繊維が蛇行する部位が生じたり、皺を無くすための切り込みによって繊維が分断されたりすることが無くなり、得られる繊維強化複合材料４０において、皺や繊維分断に起因した強度低下部分が生じることが防止される。

（２）織物基材２０において、織密度を第２部位２２に比べて第１部位２１を低くし、第２部位２２においては、織密度を低くしないようにした。すなわち、織物基材２０の全体のうち、第１部位２１の一部だけを織密度を低くした。このため、織密度の低下していない第２部位２２においては、経糸１１及び緯糸１２が目ずれしにくく、また、経糸１１及び緯糸１２が蛇行しにくくなり、繊維強化複合材料４０においては第２部位２２を繊維基材とした部位での強度は低下しない。その結果として、皺発生防止のために、織物基材２０全体の織密度を低下させる場合と異なり、繊維強化複合材料４０全体の強度が低下してしまうことがない。

（３）織物基材２０の製織の際、巻き取りロール３１による経糸１１の巻き取り速度を第２部位２２を製織する場合より速くすることで、緯糸１２の緯入れ間隔を広げる結果、緯糸１２の織密度の低い第１部位２１を形成することができる。よって、織物基材２０の製織の際に、第１部位２１と第２部位２２を形成することができ、織物基材２０を簡単に製造することができる。

（４）１枚の織物基材２０の長さ方向に沿って第２部位２２、第１部位２１、及び第２部位２２を連続して形成した。このため、成形型１０が、前側平坦面１０ａ、湾曲面１０ｆ、及び上側平端面１０ｅのように連続して形状変化していても、織物基材２０で対応しながら皺を無くすことができる。よって、形状変化に対応しつつ皺をなくすために、複数枚の織物基材をパッチワークのように繋ぎ合わせることがなく、織物基材２０の強度低下を無くして繊維強化複合材料４０の強度低下も無くすことができる。

（５）第１部位２１の織密度を低くした緯糸１２は、湾曲面１０ｆの湾曲方向と直交する方向に延びるように配列されている。このため、緯糸１２は、湾曲面１０ｆの湾曲方向に沿って緯糸１２同士の間隔が広くなっており、湾曲面１０ｆの湾曲方向に沿って緯糸１２をずらせる範囲が広がる。したがって、第１部位２１では、湾曲面１０ｆの湾曲方向に沿って皺ができやすくなるが、緯糸１２をずらして皺を容易に無くすことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、成形型５０の上面に、上側平端面５０ａを形成するとともに、上側平端面５０ａに連続して弧状に湾曲する湾曲面５０ｂを形成し、さらに、湾曲面５０ｂに連続して前側垂直面５０ｃを形成する。加えて、成形型５０において、前側垂直面５０ｃに連続して、屈曲部５０ｄを形成するとともに、屈曲部５０ｄに連続して前側平坦面５０ｅを形成する。なお、屈曲部５０ｄは、湾曲面５０ｂと比較して、形状変化が急な部位のことである。また、屈曲部５０ｄにおいて、前側垂直面５０ｃ及び前側平坦面５０ｅのいずれか一方から他方に向けて屈曲する方向を、屈曲部５０ｄの屈曲方向とする。

そして、織物基材２０は、第２部位２２が、成形型５０の前側平坦面５０ｅに配置されるとともに、第１部位２１が、前側平坦面５０ｅの一部、前側垂直面５０ｃ全体、湾曲面５０ｂ及び上側平端面５０ａの一部に跨って配置される。さらに、織物基材２０は、残りの第２部位２２が、第１部位２１が配置された部位を除いた上側平端面５０ａ全体に配置される。すなわち、織物基材２０は、第１部位２１が湾曲面５０ｂ、及び屈曲部５０ｄに沿うように賦形させながら成形型５０の表面に配置される。なお、この場合、織物基材２０は、成形型５０に対して押し付けられて賦形される。

よって、織物基材２０において、第１部位２１は、成形型５０における湾曲部である湾曲面５０ｂ、及び屈曲部５０ｄに沿って賦形される賦形部を含む。なお、第１部位２１の織密度を低くした緯糸１２は、湾曲面５０ｂの湾曲方向と直交する方向、及び屈曲部５０ｄの屈曲方向に延びるように配列されている。したがって、緯糸１２は、湾曲面５０ｂの湾曲方向、及び屈曲部５０ｄの屈曲方向に沿って緯糸１２同士の間隔が広くなっている。

一方、第２部位２２は、前側平坦面５０ｅ及び上側平端面５０ａに沿って配置されるが、この前側平坦面５０ｅ、及び上側平端面５０ａは、湾曲面５０ｂ、及び屈曲部５０ｄと異なり形状変化の無い部位であるため、第２部位２２は、第１部位２１に比べて賦形性が低くなっている。

これによれば、織物基材２０は、第１部位２１における緯糸１２の織密度が第２部位２２よりも低くなっている。そして、緯糸１２の織密度は、巻き取りロール３１による経糸１１の巻き取り速度を調節することで、任意に調節することができる。よって、第１部位２１においては、形状変化の急な屈曲部５０ｄと、形状変化の緩やかな湾曲面５０ｂとが混在しても容易に対応することができる。

○ 実施形態では、第１部位２１を湾曲面１０ｆに対向して配置し、湾曲面１０ｆに沿って賦形させ、図４では、第１部位２１を湾曲面５０ｂ及び屈曲部５０ｄに対向して配置し、湾曲面５０ｂ及び屈曲部５０ｄに沿って賦形させた。しかし、これに限らず、織物基材２０を、屈曲部のみが形成された成形型に沿って配置し、第１部位２１を屈曲部に対向して配置し、賦形させてもよい。

○ 実施形態では、第１部位２１においては、緯糸１２の織密度を第２部位２２より低くしたが、これに限らない。図５（ａ）に示すように、第１部位２１において、経糸１１及び緯糸１２の両方の織密度を第２部位２２より低くしてもよいし、図５（ｂ）に示すように、第１部位２１において、経糸１１の織密度のみを第２部位２２より低くしてもよい。

○ 実施形態では、織物基材２０の長さ方向に沿って第２部位２２、第１部位２１、及び第２部位２２を形成したが、長さ方向に直交する織物基材２０の幅方向においても、第１部位２１と第２部位２２を形成してもよい。

○ 織物基材２０を構成する繊維は炭素繊維に限らず、繊維強化複合材料４０に要求される物性に対応して、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維等、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維を使用してもよい。

○ 織物基材２０に樹脂を含浸、硬化させて繊維強化複合材料４０を製造する方法は一般のＲＴＭ法に限らない。
○ 実施形態では、織物基材２０を平織りで形成したが、綾織りや朱子織りで形成してもよい。

○ 経糸１１に対し、緯糸１２は斜状に交差していてもよい。
○ 実施形態では、第１の糸を経糸１１とし、第２の糸を緯糸１２としたが、第１の糸を緯糸とし、第２の糸を経糸としてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記繊維束は強化繊維よりなる請求項１又は請求項２に記載の織物基材。
（ロ）前記繊維束は炭素繊維よりなる請求項１又は請求項２に記載の織物基材。

（ハ）繊維束からなり互いに平行に配列された複数の第１の糸と、繊維束からなり互いに平行にかつ前記第１の糸と交差する方向に配列された複数の第２の糸とを備え、成形型に沿って賦形される織物基材であって、前記成形型が備える屈曲部及び湾曲部の少なくとも一方に対向して配置され、かつ賦形される賦形部を含む第１部位と、前記賦形部に比べて賦形性の低い第２部位と、を備え、前記第２の糸の織密度が、前記第２部位に比べて前記第１部位が低いことを特徴とする織物基材の製造方法であって、複数の前記第１の糸の端部を巻き取りロールに固定し、該巻き取りロールによって前記第１の糸を巻き取りながら前記第２の糸を挿入する際、前記巻き取りロールの巻き取り速度を調節することを特徴とする織物基材の製造方法。

１０，５０…成形型、１０ｆ，５０ｂ…湾曲部としての湾曲面、１１…第１の糸としての経糸、１２…第２の糸としての緯糸、２０…織物基材、２１…第１部位、２２…第２部位、４０…繊維強化複合材料、５０ｄ…屈曲部。

Claims (3)

1. 繊維束からなり互いに平行に配列された複数の第１の糸と、
   繊維束からなり互いに平行にかつ前記第１の糸と交差する方向に配列された複数の第２の糸とを備え、成形型に沿って賦形される織物基材であって、
   前記成形型が備える屈曲部及び湾曲部の少なくとも一方に対向して配置され、かつ賦形される賦形部を含む第１部位と、
   前記賦形部に比べて賦形性の低い第２部位と、を備え、
   前記第１の糸、及び前記第２の糸の少なくとも一方の織密度が、前記第２部位に比べて前記第１部位が低いことを特徴とする織物基材。
2. 前記第１の糸及び前記第２の糸のうち前記織密度を低くした糸は、前記屈曲部に対しては該屈曲部の屈曲方向と交差する方向に延びるように配列され、前記湾曲部に対しては該湾曲部の湾曲方向と交差する方向に延びるように配列されることを特徴とする請求項１に記載の織物基材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の織物基材に樹脂を含浸させてなる繊維強化複合材料。